JP6793033B2

JP6793033B2 - 測距装置

Info

Publication number: JP6793033B2
Application number: JP2016250993A
Authority: JP
Inventors: 正俊藤本; 真広山田; 大輔草苅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-12-26
Also published as: JP2018105685A

Description

本発明は、測距装置に関する。

現在、レーザ光などの測定光を対象物に向けて投光した後、対象物からの戻り光を検出し、対象物への投光から戻り光の検出までの時間に基づいて対象物までの距離を計測するＴＯＦ（Time of Flight）方式の測距装置の開発が進められている。従来の測距装置として、例えば特許文献１に記載の伝播測定時間装置がある。この従来の測距装置では、広波長帯域を有するパルス光を測定光として波長毎に分光して対象物に照射する。この場合、対象物からの戻り光の戻り位置が波長によって異なる位置となるように装置を構成することが可能である。したがって、それぞれの位置の戻り光を光検出器で検出し、測定光の出射時刻から戻り光の検出時刻までの時間を光検出器の画素毎に算出することで、対象物までの距離を二次元的に計測することができる。

特許第５２３０８５８号公報

上述した従来の測距装置は、走査ミラーのように高速で駆動させる駆動部を持たないため、振動などの影響を受けにくいという利点がある。しかしながら、上述した従来の測距装置では、光源からの測定光を波長毎に分光しているため、対象物からの波長毎の戻り光が微弱となり、測定の精度及び感度が十分に得られなくなるおそれがある。この場合、単に測定光の強度を上げてしまうと、光学系を構成する光学素子が測定光によって損傷してしまうという問題が生じ得る。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、高速な駆動部を必要とせずに高速で高精度かつ高感度な測定を実施できる測距装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る測距装置は、対象物までの距離を計測する測距装置であって、時間と共に波長が変化する光を測定光として発生させる波長掃引光源と、対象物に向かう測定光の光軸を波長に応じて変位させる測定光変位素子と、対象物からの戻り光を波長毎に異なる位置で検出する光検出器と、を備える。

この測距装置では、時間と共に波長が変化する光を測定光として発生させる波長掃引光源を備えている。波長掃引光源で発生した測定光の光軸は、測定光変位素子によって波長に応じて変位する。波長掃引光源からの測定光は、各瞬間においては単色光であるため、従来のように、パルス光源からの測定光を波長毎に分光する場合とは異なり、測定光変位素子によって測定光の光軸が変位する際に光量の低下は生じない。このため、対象物からの波長毎の戻り光を十分な光量で検出することが可能となる。したがって、この測距装置では、高速な駆動部を必要とせず、測定感度を十分に確保することができ、光量に応じて測定精度も十分に確保することができる。また、この測距装置では、戻り光の検出位置を波長に対応付けることが可能となるため、測定光が発生してから戻り光が検出されるまでの間に異なる波長を有する次の測定光を発生させることができる。したがって、測定速度の高速化も図られる。

また、波長掃引光源は、共振器内に配置された電気光学素子と、時間と共に変化する電圧を電気光学素子に印加する電圧掃引電源とを含んで構成されていてもよい。この場合、測定光の波長掃引を電気的に実行することが可能となる。したがって、測距装置の構成に機械的な駆動部が増加することを回避できる。

また、測距装置は、波長掃引光源で発生した測定光を対象物に向けて出力する光ファイバを更に備えていてもよい。この場合、波長掃引光源の配置自由度を向上できる。

また、測距装置は、光検出器に向かう戻り光の光軸を波長に応じて変位させる戻り光変位素子を更に備えていてもよい。この場合、光検出器において、戻り光を波長毎に異なる位置でより確実に検出できる。

また、測距装置は、戻り光を光検出器に向けて導光する光ファイバを更に備えていてもよい。この場合、戻り光を導光することが可能となり、測定感度及び測定精度を一層十分に確保することができる。また、光検出器の配置自由度を向上できる。

また、測距装置は、戻り光の強度を増幅する光増幅器を更に備えていてもよい。この場合、戻り光の強度を増幅することで、測定感度及び測定精度を一層十分に確保することができる。

また、測距装置は、測定光の光軸を測定光変位素子による変位方向と直交する方向に走査する光走査部を更に備えていてもよい。この場合、対象物において測定光が照射される範囲を拡張することができる。光走査部による測定光の走査は、波長掃引光源による波長掃引の周期に基づいて実行すればよく、高速な駆動は不要である。

本発明によれば、高速な駆動部を必要とせずに高速で高精度かつ高感度な測定を実施できる。

第１実施形態に係る測距装置の構成を示す概略図である。波長掃引光源から出力される測定光の状態を示す図である。波長掃引光源の構成の一例を示す概略図である。第２実施形態に係る測距装置の構成を示す概略図である。第３実施形態に係る測距装置の構成を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る測距装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］

図１は、第１実施形態に係る測距装置の構成を示す概略図である。図１に示す測距装置１は、ＴＯＦ（Time of Flight）方式の測距装置である。測距装置１は、レーザ光である測定光Ｌ１を対象物Ｓに向けて照射した後、対象物Ｓからの戻り光Ｌ２を検出し、測定光Ｌ１の出射から戻り光Ｌ２の検出までの時間に基づいて対象物Ｓまでの距離を計測する。対象物Ｓは、車載用の用途であれば、他車両、壁、歩行者などの障害物であり、測量用の用途であれば、道路、橋、建物などの構造物である。

測距装置１は、図１に示すように、測定光Ｌ１を発生させる波長掃引光源２と、測定光Ｌ１を導光する測定光導光部３と、測定光Ｌ１の光軸を変位させる測定光変位素子４と、対象物Ｓからの戻り光Ｌ２を導光する戻り光導光部５と、戻り光Ｌ２の光軸を変位させる戻り光変位素子６と、戻り光Ｌ２を検出する光検出器７と、解析部８とを含んで構成されている。

波長掃引光源２は、時間と共に波長が変化する光を測定光Ｌ１として発生させる光源である。波長掃引光源２で発生する測定光Ｌ１の波長は、例えば図２（ａ）に示すように、時間と共に一定の周期で正弦波状に変化する。したがって、測定光Ｌ１の各波長成分に着目すると、短時間の発光が周期的に生じることとなる。また、波長掃引光源２で発生する測定光Ｌ１の強度は、例えば図２（ｂ）に示すように、多少の波長依存性によって僅かながら周期的に変動する場合もあるが、ＣＷ光と同様に、時間の経過に対してほぼ一定である。このため、測定光Ｌ１の平均的な強度は、主に熱的・電気的な要因で制限を受ける程度のレベルにまで大きくすることが可能となっている。

測定光Ｌ１の波長帯域は、例えば１．０μｍ〜１．１μｍ、或いは１．２７μｍ〜１．３７μｍとなっている。１．０μｍ〜１．１μｍの波長帯域は、湿度の影響を受けにくい点で好適である。また、赤外波長は、アイセーフティの観点から好適である。例えば１．３μｍ帯では、１μ帯の光と比較して１０倍程度の光強度が許容される。また、レイリー散乱による散乱確率は、波長の４乗に反比例する。このため、測定光Ｌ１が長波長である程、粉塵などが多い環境下での距離計測に適する。例えば１．３μｍ帯では、水に対する吸収も比較的小さく、１μ帯の光と比較して散乱確率を３５％程度に低減することができる。太陽光が外乱光として影響する場合、９４０μｍ近傍の波長の測定光Ｌ１を用いることが好適である。

また、測定光Ｌ１の波長掃引の周期は、数１０ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚとなっている。例えば測定光Ｌ１の波長掃引の周期を２００ｋＨｚとすると、ある波長の光が発生してから再び同じ波長の光が発生するまでの時間間隔は、５μｓとなる。この間に測定光Ｌ１は、約１．５ｋｍ進行するため、光の往復を考慮すると、測距装置１の作動距離（対象物Ｓまでの距離）は、最大で約７５０ｍと見積もられる。また、測定光Ｌ１の波長掃引幅が１００ｎｍであり、瞬間的な波長純度（半値全幅）が０．１ｎｍである場合、５μｓの間に１０００点の計測を実施できる。

図３は、波長掃引光源２の構成の一例を示す図である。同図に示すように、本実施形態では、波長掃引光源２は、外部共振器を備えた半導体レーザ（ＥＣＬＤ：External Cavity Laser Diode）１１によって構成されている。半導体レーザ１１は、例えば出力カプラ１３を備えた半導体光増幅器１２と、出力カプラ１３との間で共振器１４を構成するミラー１５とを備えている。また、共振器１４内には、電気光学素子１６、λ／２波長板１７、透過型回折格子１８、コリメータレンズ１９が配置されている。電気光学素子１６には、時間と共に変化する電圧を電気光学素子１６に印加する電圧掃引電源２０が電気的に接続されている。

電気光学素子１６は、例えばＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶である。ＫＴＮ結晶は、非線形光学結晶の一種であり、電圧掃引電源２０から印加される電圧の値に応じた電気光学効果によって、入射光の光軸に対する出射光の光軸の角度を変化させる。これにより、波長掃引光源２では、機械的な駆動部に依らずに共振波長を変化させることが可能となり、時間と共に波長が変化する光を測定光Ｌ１として発生させることができる。なお、電気光学素子１６は、通過する光に対して凸レンズのように作用するため、当該作用をキャンセルする凹レンズ２１を電気光学素子１６を挟むように配置することが好適である。

測定光導光部３は、対象物Ｓに向けて測定光Ｌ１を導光する光学系であり、光ファイバ２２と、コリメータレンズ２３とによって構成されている。光ファイバ２２は、例えば偏波保持ファイバであり、波長掃引光源２の出力端に接続されている。光ファイバ２２を伝搬した測定光Ｌ１は、光コネクタ２４から出射し、コリメータレンズ２３によって平行光化される。平行光化された測定光Ｌ１は、測定光変位素子４に向けて導光される。

測定光変位素子４は、対象物Ｓに向かう測定光Ｌ１の光軸を波長に応じて変位させる素子である。測定光変位素子４により、測定光Ｌ１の光軸が波長に応じて変位することで、対象物Ｓにおける測定光Ｌ１の照射位置と波長とを対応付けることができる。測定光変位素子４としては、例えばプリズム、回折格子が挙げられる。プリズムを用いる場合、測定光Ｌ１の光軸が変位する角度範囲が回折格子に比べて狭くなるが、測定光Ｌ１の損失を抑えることができる。回折格子を用いる場合、測定光Ｌ１の光軸が変位する角度範囲を広げることができる。

また、測定光変位素子４としてエシェル回折格子を用い、当該エシェル回折光子を用いた２次元変位光学系が構成されていてもよい。この場合、例えばスリットを通過させた測定光Ｌ１を凹面鏡で折り返してエシェル回折格子に入射させる。そして、エシェル回折光子によって波長に応じて一軸方向に測定光Ｌ１の光軸を変位させると共に、エシェル回折光子の後段に配置したプリズム若しくは回折格子によって別の一軸方向に測定光Ｌ１の光軸を変位させる。これにより、対象物Ｓに向かう測定光Ｌ１の光軸を波長に応じて二次元的に変位させることができる。

戻り光導光部５は、例えばミラー３１と、光ファイバ３２と、光増幅器３３とによって構成されている。本実施形態では、測定光変位素子４に向かう測定光Ｌ１の光軸と略同軸になるように戻り光Ｌ２が集束する。ただし、戻り光Ｌ２は、対象物Ｓからの反射光若しくは散乱光によって構成されているため、集束光のビーム径は大きなものとなる。したがって、ミラー３１は、測定光Ｌ１の通過を妨げない配置である一方、対象物Ｓからの戻り光Ｌ２のうちの多くの成分を直角に反射させる必要がある。このようなミラー３１の構成として、例えば図１に示すように、戻り光Ｌ２のビーム径に対応した径のミラーに対して測定光Ｌ１の通過領域に穴が設けられた穴開きミラーを利用すると、装置の光利用効率を高めることが可能となる。なお、ミラー３１は、穴開きミラーに限られず、測定光Ｌ１の少なくとも一部が傍を通過するように測定光Ｌ１の光軸中心に対して通常のミラーをずらして配置したものであってもよい。また、光ファイバ３２は、例えばマルチモードファイバである。ミラー３１で反射した戻り光Ｌ２は、光コネクタ３４から光ファイバ３２に入射し、光増幅器３３に導光される。

光増幅器３３は、戻り光Ｌ２の強度を増幅させる部分である。戻り光Ｌ２は、波長掃引光源２から生成された測定光Ｌ１の反射光もしくは散乱光から構成されているため、測定光Ｌ１と同じ波長帯域を有している。したがって、光増幅器３３の光増幅帯域は、波長掃引光源２における光生成帯域をすべて網羅することが好適である。このため、例えば波長掃引光源２が図３に示したような構成をとる場合、半導体光増幅器１２と同一の機能を持つものを内部に有する光増幅器３３を用いることが好適である。

これ以外の構成であっても波長掃引光源２から生成された測定光Ｌ１の波長帯域を網羅できる場合には、光増幅器３３として、例えばＮｄなどの希土類元素を添加したガラス、或いはＮｄなどの希土類元素を添加したＹＡＧを利得媒質として有する固体増幅器を用いることができる。光増幅器３３は、多段の固体増幅器を備えて構成されていてもよく、一段の固体増幅器とループ光学系とを組み合わせて多重回増幅を行うものであってもよい。また、光増幅器３３は、例えば光ファイバのコアの少なくとも一部にＹｂ（イッテルビウム）などの希土類元素を利得媒質として添加した光ファイバ増幅器であってもよい。光増幅器３３によって増幅された戻り光Ｌ２は、戻り光変位素子６に入射する。

このような光増幅器３３の利用は、１．１μｍ以上の波長を有する測定光Ｌ１を用いる場合に特に有効である。この波長帯域の光の検出に用いられるＩｎＧａＡｓ系等の化合物半導体光検出器では、シリコン系光検出器を用いる場合と比較して検出器内での大幅な信号の増幅が困難であるためである。また、この波長帯域では、光電子増倍管などの真空型光検出器の感度が十分でないためである。

戻り光変位素子６は、光検出器７に向かう戻り光Ｌ２の光軸を波長に応じて変位させる素子である。戻り光変位素子６により、戻り光Ｌ２の光軸が波長に応じて変位することで、光検出器７の検出面における戻り光Ｌ２の入射位置と波長とを対応付けることができる。戻り光変位素子６としては、例えばプリズム、回折格子が挙げられる。プリズムを用いる場合、戻り光Ｌ２の光軸が変位する角度範囲が回折格子に比べて狭くなるが、戻り光Ｌ２の損失を抑えることができる。回折格子を用いる場合、戻り光Ｌ２の光軸が変位する角度範囲を広げることができる。

光検出器７は、対象物Ｓからの戻り光Ｌ２を波長毎に異なる位置で検出する部分である。光検出器７としては、例えばＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）、アバランシェフォトダイオードアレイなどを用いることができる。ＭＰＰＣは、シリコン系光検出器であり、測定光Ｌ１の波長が１．１μｍ未満である場合に用いられる。ＭＰＰＣは、増幅手段を有する半導体リニアセンサであり、対象物Ｓとの距離が遠く、戻り光の光量が微弱である場合に有効である。ＭＰＰＣを用いる場合、光増幅器３３の配置を省略してもよい。また、アバランシェフォトダイオードアレイは、測定光Ｌ１の波長が１．１μｍ以上である場合に用いられる。光検出器７は、検出面における戻り光Ｌ２の強度と入射位置とを関連付けた検出結果情報を生成し、解析部８に出力する。

解析部８は、光検出器７から出力される検出結果情報に基づいて、対象物Ｓまでの距離を解析する部分である。解析部８は、ＴＯＦ（Time of Flight）法に基づいて、対象物Ｓまでの距離を解析する。すなわち、解析部８では、波長掃引光源２で測定光Ｌ１が発生した時刻と、光検出器７で戻り光Ｌ２を検出した時刻との差分（遅延時間）に基づいて、対象物Ｓまでの距離を解析する。なお、戻り光Ｌ２の各波長成分の強度時間波形は、波長掃引光源２で発生する測定光Ｌ１の各波長成分の強度時間波形との間で一定の相関を有する。したがって、解析部８において、戻り光Ｌ２の各波長成分の強度時間波形を測定光Ｌ１の各波長成分の強度時間波形に対してフィッティングすることで、遅延時間の解析をより精度良く実行することができる。

解析部８は、物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ、及びＣＰＵ等のプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスク等の格納部、ディスプレイ等の表示部を備えて構成されたコンピュータである。かかるコンピュータとしては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。コンピュータは、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵで実行することにより、対象物Ｓまでの距離を解析する機能を実行する。

以上説明したように、測距装置１では、時間と共に波長が変化する光を測定光Ｌ１として発生させる波長掃引光源２を備えている。波長掃引光源２で発生した測定光Ｌ１の光軸は、測定光変位素子４によって波長に応じて変位する。この測距装置１では、波長掃引光源２からの測定光が各瞬間において単色光であるため、従来のように、パルス光源からの測定光を波長毎に分光する場合とは異なり、測定光変位素子４によって測定光Ｌ１の光軸が変位する際に光量の低下は生じない。このため、対象物Ｓからの波長毎の戻り光Ｌ２を十分な光量で検出することが可能となる。したがって、測距装置１では、高速な駆動部を必要とせず、測定感度を十分に確保することができ、光量に応じて測定精度も十分に確保することができる。また、測距装置１では、戻り光Ｌ２の検出位置を波長に対応付けることが可能となるため、測定光Ｌ１が発生してから戻り光Ｌ２が検出されるまでの間に異なる波長を有する次の測定光Ｌ１を発生させることができる。したがって、測定速度の高速化も図られる。

また、本実施形態では、共振器１４内に配置された電気光学素子１６と、時間と共に変化する電圧を電気光学素子１６に印加する電圧掃引電源２０とを含んで波長掃引光源２が構成されている。このような構成により、波長掃引光源２において、測定光Ｌ１の波長掃引を電気光学的に実行することが可能となる。したがって、測距装置１の構成に機械的な駆動部が増加することを回避できる。

また、本実施形態では、測距装置１が波長掃引光源２で発生した測定光Ｌ１を対象物Ｓに向けて出力する光ファイバ２２を備えている。これにより、波長掃引光源２の配置自由度を向上できる。

また、本実施形態では、測距装置１が光検出器７に向かう戻り光Ｌ２の光軸を波長に応じて変位させる戻り光変位素子６を備えている。これにより、光検出器７において、戻り光Ｌ２を波長毎に異なる位置でより確実に検出できる。

また、本実施形態では、測距装置１が戻り光Ｌ２を光検出器７に向けて導光する光ファイバ３２を備えている。これにより、戻り光Ｌ２を効率良く導光することが可能となり、測定感度及び測定精度を一層十分に確保することができる。また、光検出器７の配置自由度を向上できる。

また、本実施形態では、測距装置１が戻り光Ｌ２の強度を増幅する光増幅器３３を備えている。この場合、戻り光Ｌ２の強度を増幅することで、測定感度及び測定精度を一層十分に確保することができる。この構成は、内部に増幅手段を輸しない光検出器７を用いる場合に特に有用である。
［第２実施形態］

図４は、第２実施形態に係る測距装置の構成を示す概略図である。同図に示すように、第２実施形態に係る測距装置４１は、測定光変位素子４の前段側に光走査部４２を備えている点で、第１実施形態と異なっている。

光走査部４２は、測定光Ｌ１の光軸を少なくとも測定光変位素子４による変位方向（ここではＸ軸方向と称す）と直交する方向に走査する部分である。光走査部４２は、例えばＭＥＭＳミラー、ポリゴンミラー等によって構成され、一軸又は二軸に測定光Ｌ１を走査する。光走査部４２が一軸の走査部である場合、測定光Ｌ１がＹ軸方向に周期的に走査されるように光走査部４２を配置する。これにより、測定光変位素子４によってＸ方向に光軸が変位する測定光Ｌ１が、光走査部４２によってＹ軸方向に走査されることとなり、対象物Ｓに対して一定の立体角を持った範囲の距離測定を一度に行うことが可能となる。

また、光走査部４２が二軸の走査部である場合、測定光Ｌ１がＸ軸方向及びＹ軸方向に周期的に走査されるように光走査部４２を配置する。つまり、光走査部４２の一方の走査軸は、測定光変位素子４による測定光Ｌ１の光軸の変位方向と同方向となり、光走査部４２の一方の走査軸は、測定光変位素子４による測定光Ｌ１の光軸の変位方向と直交する方向となる。Ｘ軸方向への１回の走査は、例えば測定光変位素子４による測定光Ｌ１の光軸の変位範囲と同程度に設定され、光走査部４２は、Ｘ軸方向への走査とＹ軸方向への走査とを離散的に実行する。この場合、例えば波長掃引光源２による測定光Ｌ１の波長掃引の周期の数周期分をＹ軸方向への走査の一周期と同期させ、Ｙ軸方向への走査の数周期分をＸ軸方向への走査の一周期と同期させればよい。これにより、より広範な立体角を持った範囲の距離測定を実行できる。
［変形例］

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、電気光学素子１６を用いた電気光学的な手段による波長掃引光源２を例示したが、例えばファブリペロー共振器の共振器長を機械的な手段で変動させるような波長掃引光源を用いてもよい。また、上記実施形態では、ミラー３１と、光ファイバ３２と、光増幅器３３とによって戻り光導光部５が構成されているが、このような構成に代えて、例えば図５に示す測距装置５１のように、戻り光変位素子６の前段側に大径のレンズ５２を配置し、当該レンズ５２で集束した戻り光Ｌ２を戻り光変位素子６に入射させるようにしてもよい。測距装置５１の構成においては、戻り光Ｌ２が大径のレンズ５２によって波長毎に異なる位置に集光されるため、戻り光変位素子６を省略することも可能となる。このように、図５に示す測距装置５１では、装置構成の一層の簡単化が図られる。

１，４１，５１…測距装置、２…波長掃引光源、４…測定光変位素子、６…戻り光変位素子、７…光検出器、１４…共振器、１６…電気光学素子、２０…電圧掃引電源、２２…光ファイバ、３２…光ファイバ、３３…光増幅器、４２…光走査部、Ｌ１…測定光、Ｌ２…戻り光、Ｓ…対象物。

Claims

対象物までの距離を計測する測距装置であって、
時間と共に波長が変化する連続発振光を測定光として発生させる波長掃引光源と、
前記対象物に向かう前記測定光の光軸を波長に応じて変位させる測定光変位素子と、
前記対象物からの戻り光を波長毎に異なる位置で検出する光検出器と、を備え、
前記波長掃引光源は、共振器の共振波長を変化させる手段を含んで構成されている測距装置。
前記手段は、前記共振器内に配置された電気光学素子と、時間と共に変化する電圧を前記電気光学素子に印加する電圧掃引電源とを含んで構成されている請求項１記載の測距装置。
前記波長掃引光源で発生した前記測定光を前記対象物に向けて出力する光ファイバを更に備える請求項１又は２記載の測距装置。
前記光検出器に向かう前記戻り光の光軸を波長に応じて変位させる戻り光変位素子を更に備える請求項１〜３のいずれか一項記載の測距装置。
前記戻り光を前記光検出器に向けて導光する光ファイバを更に備える請求項１〜４のいずれか一項記載の測距装置。
前記戻り光の強度を増幅する光増幅器を更に備える請求項１〜５のいずれか一項記載の測距装置。
前記測定光の光軸を少なくとも前記測定光変位素子による変位方向と直交する方向に走査する光走査部を更に備える請求項１〜６のいずれか一項記載の測距装置。